EN
Icke-linjära egenskaper och dynamik hos hydrauliska servosystem
Tryckfördröjning, ventilhysterese och vätskekompressibilitet i servohydrauliska system
För att styra servohydrauliska system måste du hantera tre typer av icke-linjärt beteende. För det första finns det tryckfördröjning, vilket är den tid det tar för den hydrauliska aktuatorn att svara på styrkommandon som ges till ventilen, vilket minskar den dynamiska precisionen. Dessutom ger ventilhysteres, vilket är den tid det tar för den hydrauliska aktuatorn att stabilisera sig i en ny önskad position, upprepbarhetsfel i aktuatorns position. Slutligen introducerar vätskans (särskilt luftens) kompressibilitet ett fördröjningsbeteende i systemet, vilket kan minska styvheten i det hydrauliska systemet avsevärt och därmed även aktuatorns rörelse. Detta är särskilt problematiskt när lufthalten i vätskan överstiger 1 %. Denna minskning av styvhet kan också minska troheten till den rörelse som aktuatorn ska utföra. Genom att använda rätt typ av proportionell ventil med lämplig dynamisk respons, kombinerat med korrekt grad av vätskeavluftning, kan dessa effekter i stor utsträckning minskas.
Dynamiska begränsningar för hydrauliska system: varför avskärningsfrekvenserna ligger mellan 50 och 300 Hz
Bestämningen av avskärningsfrekvensen för hydrauliska systems dynamik grundar sig på aktuatorns tröghet och hur kompressibla vätskor är. I hydrauliska system bestäms det effektiva dämpbeteendet för systemet ytterligare av vätskans kompressionsmodul och resonanströgheten (dvs. den tröghet som orsakas av de rörliga delarna i systemet). När frekvensen som används i det hydrauliska systemet överskrider 300 Hz börjar vätskebehållaren (som vanligtvis består av mineralolja med en kompressionsmodul mellan 15 000 och 25 000 bar) att svänga, vilket stör systemets exakta positionering. Detta beteende styrs ytterligare av kraven på systemrespons samt förlust av fas- och förstärkningsmarginaler (enligt ISO 10770-1). Därför arbetar de flesta hydrauliska aktuatorer vid rimligt låga frekvenser under 250 Hz
Praktiska strategier för PID-reglering i servohydrauliska system
Ziegler-Nichols eller modellbaserad reläavstämningsmetod för elektrohydrauliska aktuatorer
När man överväger metoder för att justera PID-regulatorer i icke-linjära servohydrauliska system uppstår vissa avvägningar. En av de enklaste metoderna är Ziegler-Nichols-metoden, som innebär att justera proportional-, integrerande- och deriverande förstärkningar tills beständiga likformiga svängningar uppstår. Denna metod, trots sin enkelhet, har vissa fallgropar kopplade till sig. Metoden kan orsaka instabilitet i system med hög respons och påverka servicegränserna nära den naturliga resonansen. I motsats till detta innebär den modellbaserade relämetoden att införa kontrollerade svängningar i systemet för att fastställa och identifiera de dominerande resonansmoderna, vilka i hydrauliska system kan ligga över 50 Hz, och sedan bestämma den stabiliserande förstärkningen med hjälp av Nyquist-kriteriet. Denna metod kan minska översvängning i applikationer med tryckkompenserade ventiler, till skillnad från Ziegler-Nichols-metoden. Ziegler-Nichols-metoden kan förväntas minska insvängningstiden med 40 % jämfört med Ziegler-Nichols-metoden för system som resonar kring 150 Hz.
Stämningssätt Bäst för stabilitetsrisk Typisk bandbreddsförstärkning
Ziegler-Nichols Lågfrekvensapplikationer Hög i resonanszoner ≤150 Hz
Modellbaserad relästyrning Elektrohydraulik med hög dynamik Låg vid noggrann modellering 200–300 Hz
När PID-stämning misslyckas: Att identifiera orsakerna till instabilitet i servohydrauliska system med hög förstärkning PID-stämning
När vätskans kompressibilitet och hysteres förekommer i ett system kommer PID-regulatorer oundvikligen att misslyckas. För höga förstärkningsvärden i den proportionella reglerkomponenten ökar inställningsvärdets dödtid och leder till gränsloopar över 250 Hz. De förändringar i aktuatorlast som uppstår vid injektering av plast kommer att resultera i en förskjutning av aktuatoranordningen med cirka 0,5 mm och leda till integrerande reglerdriftsöverbelastning. Detta utgör ett allvarligt problem och kräver användning av förstärkningsplanering eller modifiering av systemet. Ventiler med mer än 15 % överlappning visar en betydlig tidsfördröjning och leder till instabilitet. Detta kräver användning av friktionskompensation i systemet eller användning av adaptiv friktionströskelreglering. Senaste studier har visat
Kompensationstekniker för bättre prestanda hos servohydrauliska system
Förreglering med kompressionsmodul och friktionskompensation
Förreglering förbättrar inte bara prestandan utan möjliggör också förväntande kompensering för vissa icke-linjäriteter, till skillnad från traditionella metoder som bygger på återkoppling och den efterföljande prestandaförlusten. Bulkmodulen kan variera inom ett intervall på ±15 % med temperaturen, vilket orsakar styvhetsskift som beror på vätsketrycket och slutligen dålig positioneringsnoggrannhet vid högprecision. Den statiska friktionen på grund av vätskeläckage uppges också ligga i storleksordningen 20 % av den totala aktuatorns motstånd. Avancerade regulatorer kan utformas för att modellera den dynamiska friktionen i vätskan och den dynamiska kompressibiliteten i vätskan samt ge en korrektiv reglering innan felet uppstår. Denna dubbla kompensering hjälper till att undvika översvängning och minskar den tid som krävs för att stabilisera injektningsformningsmaskiner med 37 %, samtidigt som termiska transienter bibehålls med en regleringsnoggrannhet i realtid på mikronivå.
Polplacering för att maximera dämpning: En design baserad på ISO 10770-1
Vid polplaceringstekniker bibehålls dämpningsförhållandet för det hydrauliska servosystemet inom intervallet 0,6–0,8 för att undvika resonans och instabilitet. Detta skiljer sig från traditionella inställningstekniker, eftersom det är en modellbaserad metod för att styra systemet i området kring dess egenfrekvens. Genom att placera polerna längs 45°-vinkeln i s-planet överfördes systemet från ett underdämpat område (dämpningsförhållande 0,3) till ett kritiskt dämpat område med en design som följer ISO 10770-1. Detta innebar beräkning av systemets hydrauliska styvhet baserat på cylinderns och vätskans geometri, kartläggning av styrventilens flöde-tryck-karakteristik för att fastställa förstärkningsgränser samt justering av återkopplingsregleringen för att flytta polerna under instabilitetsgränsen på 300 Hz. Resultatet blev en imponerande minskning av vibrationer med 92 % i stålvalsverk, samtidigt som kraven på dynamisk styvhet enligt ISO 10770-1 fullgjordes.
Vanliga frågor
Vad betyder termen "tryckfördröjning" i hydrauliska servosystem?
Vid höghastighetsdrift kan ventilstyrning följt av fördröjningar i cylinderns respons minska systemets totala dynamiska precision.
Varför ligger bandbredden för hydrauliska servosystem i intervallet 50–300 Hz?
Vanligtvis kommer aktuatorns tröghet i kombination med vätskans kompressibilitet att skapa en resonans som begränsar bandbredden. När instabilitetsområdet nås börjar störningarna oscillera, vilket leder till förlust av systemets noggrannhet.
Vilka fördelar erbjuder modellbaserad reläinställning (MBRT) jämfört med Ziegler-Nichols?
MBRT hjälper till att identifiera systemets olika resonansmoder samt att beräkna stabiliserande förstärkningsmarginaler. Detta kan uppnås med mindre översväng och förbättrad svarstid i termer av insvängningstid.
Vad är effekten av att använda en förstärkningsreglering (feedforward-kontroll)?
Tidning och ackumulering av fel på grund av återkoppling elimineras när en förstärkningsreglering används. Detta resulterar i förbättrad systemprestanda med minskad översvängning och kortare insvägnings tid.
Vad betyder polplacering i hydrauliska servosystem?
Detta är en modellbaserad reglermetod för att dämpa de naturliga (och potentiellt farliga) polerna i ett hydrauliskt servosystem för att bibehålla prestanda och systemintegritet.
